Helilainete tekkimine ja levimine

Heli on elastses keskkonnas lainena leviv mehaaniline võnkumine. Kitsamas mõttes inimkõrvaga kuuldav õhu võnkliikumine. Heli on pikilainetus - õhuosakesed võnguvad piki laine levimissuunda.

Heliallikaks võib olla iga nähtus, mis tekitab keskkonnas levivaid rõhu või mehaanilise pinge muutusi. Helilained levivad vedelikes ja tahketes kehades niisama hästi kui gaasides (näiteks õhus). Helilainete levikut piirab üks oluline tingimus - heli edasikandumiseks peab alati olema mingi keskkond. Vaakumis heli levida ei saa, sest seal puudub elastne keskkond, mis võnkumist edasi kannaks.

Helilaine võib levida kas tasalainena või keralainena. Tasalainet saab tekitada suur tasapinnaline keha, mis võngub edasi-tagasi. Kerapinnalise helilaine ehk keralaine tekitab heliallikas, mille mõõtmed on võrreldes lainepikkusega väikesed. Enamik reaalseid heliallikaid tekitavad keralaine: helilained levivad heliallikast kõigis suundades ruumi edasi nagu sfäärikujulised õhu tihendused ja hõrendused. Kaugustel, mis on suuremad kui 10 heli lainepikkust, võib keralaine väikest osa käsitleda kui tasalainet.

Järgneval skeemil on kujutatud tasalainena heli levimise protsess. Punaste täpikestega on tähistatud mõned õhumolekulid, et näidata paremini nende liikumist.

Heliallika (näiteks kellukese) läheduses on mõnes kohas molekulid paigutatud tihedalt, teises aga hõredalt. Piirkondades, kus molekulid asetsevad tihedalt, on rõhk kõrgem, teistes kohtades aga madalam. Tihendused ja hõrendused eemalduvad heliallikast teatud kindla kiirusega, mis on omane keskkonnale, milles heliallikas paikneb (antud juhul on selleks õhk). Molekulid võnguvad oma tasakaaluasendi ümber (et seda paremini jälgida, on mõned õhumolekulid kujutatud pildil värvilistena). Heliallikast kaugenedes osakeste võnkumise amplituudid vähenevad. Keskkonna tihendused esinevad seal, kus antud momendil osakeste hälbed tasakaaluasendist on võrdsed nulliga või selle lähedased ja kus osakesed liiguvad laine levimise suunas. Keskkonna hõrendused aga esinevad seal, kus osakeste hälbed on samuti võrdsed nulliga või selle lähedased, kuid osakeste liikumise suund on vastupidine laine levimise suunaga. Animatsioonis on näha, et hõrendustes liiguvad molekulid heliallika poole, tihendustes aga heliallikast eemale, st laine levimise suunas.